双体甲板运输驳结构强度0904.docx
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双体甲板运输驳结构强度0904
双体甲板运输驳结构强度
有限元直接计算报告
张少雄
武汉理工大学交通学院
2008年9月2日
双体甲板运输驳结构强度有限元直接计算报告
1.概述
为了配合上海闵浦二桥钢梁的浮运,拟采用两艘300t甲板驳连体建造双体甲板运输驳(以下简称“本船”),完成26个完整钢梁节段、2个散装合拢节段的运输任务。
其中最大节段重量528t,尺寸为26.1m(长)×23.0m(宽)×14.3m(高)。
航行于长江A级航区。
所采用的300t甲板驳的主尺度及主要参数为:
总长
LOA
45.00
m
水线长
LWL
42.25
m
型宽
B
10.50
m
型深
D
2.10
m
满载吃水
d
1.30
m
满载排水量
420.0
t
方形系数
Cb
0.772
肋距
s
500
mm
梁拱
160
mm
改造的方案是:
在两艘甲板驳之间做一个宽度为1500mm的连接桥,长度范围为Fr16~Fr72。
连接桥由甲板、底板(距极限高度为750mm)、横隔板(间距4个肋距,和甲板驳强肋骨相接)等组成,其甲板、底板由横梁加强。
本报告根据300t甲板驳结构图纸以及双体甲板驳改造设计图纸建立本船的三维有限元计算模型,依据CCS《钢质内河船舶建造规范(2008)》(以下简称“《指南》”)之第14章的要求计算载荷和施加边界条件,对本船载运最大钢梁节段的航行状态(设计吃水)下的总纵强度、总横强度及扭转强度进行直接计算;按照《指南》中给定的强度标准对本船主要构件的结构强度进行评估。
计算所采用的软件是MSC.Patran/Nastran(2001)。
2.计算依据
Ø结构图纸
⏹300t甲板驳
◆基本结构图
◆横剖面图
◆总布置图
◆型线图
⏹双体甲板驳改造设计结构图
Ø钢箱梁运输技术参数
ØCCS《钢质内河船舶建造规范》(2008)
3.计算模型
对改造设计的双体甲板驳中的主要结构构件建立全船有限元模型。
建模过程中尽可能地按照实际情况考虑诸如肘板、开孔、圆弧过渡等构造细节,但对于尾部简单的上层建筑进行了简化处理。
3.1坐标系
取右手直角坐标系:
原点取在一个片体(甲板驳)中纵剖面Fr0的基线处,x轴沿船长方向,向首为正;y轴沿船宽方向,指向左舷为正;z轴沿高度方向,向上为正。
参见图3.1。
3.2有限元模型
双体甲板驳的全船有限元模型如图3.1所示。
图3.1双体甲板驳的计算模型
为了赋单元属性以及加载的方便,模型分成了表3.1所列的20组。
分组的模型(网格)参见图3.2-1~图3.2-6。
图3.2-1外底、舷侧外板、舷侧纵桁
表3.1分组情况
No
name
构件说明
1
1_bracket_long
纵向肘板
2
1_btm
外底板
3
1_btmgir
底纵桁
4
1_deck
甲板
5
1_deckgir
甲板纵桁
6
1_shell
舷侧外板
7
1_stringer
舷侧纵桁(边压筋)
8
1_truss
支柱及桁架
9
2_bhd
横舱壁
10
2_bhd_stiff
舱壁扶强材
11
2_bracket
横向小肘板
12
2_deckbeam
甲板强横梁
13
2_floor
实肋板
14
2_frame
强肋骨
15
s_deck
尾楼甲板
16
s_wall
尾楼围壁
17
z_XY
连接桥甲板及底板
18
z_YZ
连接桥横隔板
19
z_bracket
连接桥肘板
20
zz_all
全部
图3.2-2底纵桁、实肋板、强肋骨
图3.2-3甲板
图3.2-4甲板纵桁、强横梁
图3.2-5横舱壁及其扶强材、支柱和桁架
图3.2-6肘板
图3.2-7连接桥结构
图3.2-8上层建筑
3.3材料参数
本船全部采用普通低碳钢,材料参数包括:
杨氏模量E=2.06×105N/mm2
Poisson比ν=0.3
质量密度ρ=7.85×10-9t/mm3
3.4单元和网格
计算模型中共采用两类单元:
板(shell)单元:
模拟甲板、舷侧外板、外底板、底纵桁、横舱壁、实肋板、强肋骨腹板、甲板强横梁、肘板的腹板等构件中的板壳结构,板厚取建造厚度。
板单元以四边形单元为主,在构件连接和圆弧过渡的地方采用少量三角形单元。
梁(beam)单元:
模拟各种构件上的纵骨、横梁、普通肋骨、加强筋、扶强材、面板等。
按照实际情况考虑梁的截面和偏心。
有限元模型的网格大小:
横向以纵骨间距(约450)为基准,纵向取肋距(500mm)。
四边形单元边长比不超过1:
2。
3.5单元属性
1)模型中板单元的属性见表3.2。
表3.2板单元属性
No
name
板厚(mm)
范围
1
p_bhd_11
11.0
横舱壁(加复板)
2
p_bhd_5
5.0
横舱壁
3
p_bhd_stiff_4
4.0
舱壁扶强材腹板
4
p_bilge_5
5.0
舭板
5
p_bracket_5
5.0
小肘板
6
p_btm_4.5
4.5
外底板
7
p_btmgir_floor_5
5.0
底纵桁、实肋板
8
p_deck_6
6.0
甲板
9
p_deck_8
8.0
10
p_deckgir_beam_5
5.0
甲板纵桁、强横梁腹板
11
p_frame_5
5.0
强肋骨腹板
12
p_s_deck_3
3.0
尾楼甲板
13
p_s_wall_3
3.0
尾楼围壁
14
p_s_wall_4
4.0
15
p_shell_4.5
4.5
舷侧外板
16
p_shell_5
5.0
舷顶列板
17
p_stringer_5
5.0
舷侧纵桁腹板
18
pz_10
10.0
连接桥甲板
19
pz_6
6.0
连接桥横隔板
20
pz_8
8.0
连接桥底板
21
pz_bracket_6
6.0
连接桥小肘板
2)模型中梁单元的属性见表3.3。
表3.3梁单元属性
No
name
截面
方向
偏心
范围
1
b_bhd_L75_-x
L75×50×5
<-1.0.0.>
<-50.60.0.>
舱壁加强筋
2
b_bhd_L75_x
L75×50×5
<1.0.0.>
<50.60.0.>
3
b_bhd_stiff_f
5×80
<0.1.0.>
舱壁扶强材面板
4
b_bracket_f
5×50
<1.0.0.>
肘板折边
5
b_bracket_f_y
5×50
<0.1.0.>
6
b_btm_L75
L75×50×5
<0.0.1.>
<0.0.50.6>
外底纵骨
7
b_btmgir_f
6×80
<0.1.0.>
底纵桁面板
8
b_deck_beam_L63
L63×40×4
<0.0.-1.>
<0.0.-42.>
甲板横梁
9
b_deck_gir_L100_4
L100×40×4
<0.0.-1.>
<0.0.-63.>
尾楼悬伸甲板纵桁
10
b_deck_long_L90
L90×56×6
<0.0.-1.>
<0.0.-60.>
甲板纵骨
11
b_deckbeam_f_6_80
6×80
<1.0.0.>
甲板强横梁面板
12
b_deckbeam_f_8_80
8×80
<1.0.0.>
13
b_deckgir_f_6_80
6×80
<0.1.0.>
甲板纵桁面板
14
b_deckgir_f_8_80
8×80
<0.1.0.>
15
b_floor_f
6×80
<1.0.0.>
实肋板面板
16
b_frame_f
6×80
<1.0.0.>
强肋骨面板
17
b_s_deck_L45
L45×28×4
<0.0.-1.>
<0.0.-30.>
尾楼甲板横梁
18
b_s_wall_5_40_-x
5×40
<1.0.0.>
<-20.0.0.>
尾楼围壁加强筋
19
b_s_wall_5_40_-y
5×40
<0.1.0.>
<0.-20.0.>
20
b_s_wall_5_40_x
5×40
<1.0.0.>
<20.0.0.>
21
b_s_wall_5_40_y
5×40
<0.1.0.>
<0.20.0.>
22
b_shell_fr_L63_-x
L63×40×4
<-1.0.0.>
<-42.0.0.>
舷侧普通肋骨
23
b_shell_fr_L63_-y
L63×40×4
<0.-1.0.>
<0.-42.0.>
24
b_shell_fr_L63_y
L63×40×4
<0.1.0.>
<0.42.0.>
25
b_shell_fr_L75_-y
L75×50×5
<0.-1.0.>
<0.-50.60.>
26
b_shell_fr_L75_y
L75×50×5
<0.1.0.>
<0.50.60.>
27
b_stringer_f
6×80
<0.0.1.>
舷侧纵桁面板
28
bz_L250_-z
L250*80*5
<0.0.-1.>
<0.0.-153.>
29
bz_L250_z
L250*80*5
<0.0.1.>
<0.0.153.>
30
bz_L90_-x
L90×56×6
<-1.0.0.>
<-60.0.0.>
连接桥横梁
31
bz_L90_-z
L90×56×6
<0.0.-1.>
<0.0.-60.>
32
bz_L90_x
L90×56×6
<1.0.0.>
<60.0.0.>
33
bz_L90_z
L90×56×6
<0.0.1.>
<0.0.60.>
34
bz_bracket_f
8×80
<1.0.0.>
连接桥肘板折边
35
bz_hole_f
6×80
<1.0.0.>
连接桥横隔板开孔面板
36
pillar_102_5
o102×5
<1.0.0.>
支柱
37
pillar_76_5
o76×5
<1.0.0.>
38
truss_L70_-y
L70×70×5
<0.-1.0.>
<0.-19.0.>
桁架
39
truss_L70_y
L70×70×5
<0.1.0.>
<0.19.0.>
3.6计算工况
针对本船载运最大钢箱梁节段(528t),并达到设计吃水的状态—应该是最危险的状态-本报告主要计算分析了以下几种计算工况,以综合考查本船的总强度(在港和航行状态)、局部强度、总横强度以及扭转强度。
计算工况的简要说明见表3.4。
表3.4计算工况
No
Name
载荷
考查
1
sta_528
结构重量、节段重量、舷外水压力(静水1300)
在港总强度、局部强度
2
hog_528_head
结构重量、节段重量、舷外水压力(波浪中拱)
航行总强度、局部强度
3
sag_528_head
结构重量、节段重量、舷外水压力(波浪中垂)
4
n_MH
总横弯矩
连接桥横强度
5
n_MT
双体船扭矩
扭转强度
3.7边界条件
对1、2、3工况,在重力、浮力调整得基本平衡的情况下,采用惯性释放处理边界条件(因为是全船模型)。
工况4和工况5的边界条件分别按照《指南》14.6.4.1和14.6.4.2施加。
即:
在计算总横强度时(工况4),将其中一个片体的底部施加约束,采取在舭部节点施加线位移约束Tx=Ty=Tz=0;在船底强构件交叉节点上施加线位移约束Tx=Tz=0。
在计算扭转强度时(工况5),在连接桥中心节点上施加全约束,Tx=Ty=Tz=Rx=Ry=Rz=0。
3.8载荷
3.8.1总强度载荷
在工况1、工况2和工况3中,模型中施加的载荷包括:
Ø结构自重
约180t。
由于采用惯性释放,所以结构自重以集中力的形式施加到主船体所有节点上。
因为网格比较均匀,这样简化不会引起大的误差。
Ø钢箱梁节段重量
528t。
以节点力的形式施加到本船甲板纵桁和强横梁的交叉节点上(载运时有专用依甲板纵桁及强横梁位置而建的托架,还可以铺木板使得传到甲板上的载荷趋于均匀)。
Ø压载水
设计吃水时本船排水量约840t,载运528t节段(重心偏前)时,要调整浮态,需要约130t压载水,压在Fr0~Fr16的舱内。
模型中以面(静水)压力的形式施加压载水重量。
Ø舷外水压力
静水(在港)状态,吃水1300mm,压力函数为:
max(0,9.81e-6*(1300-'Z))
波浪(A级航区,波高2.5m,波长30.0m)中拱状态,经过吃水调整,压力函数为:
max(0,9.81e-6*(-1250*cosr(6.283185*('X-5000)/30000)+1406.6-'Z))
波浪中垂状态,经过吃水调整,压力函数为:
max(0,9.81e-6*(1250*cosr(6.283185*('X-5000)/30000)+1066.3-'Z))
3.8.2横强度载荷
按照14.6.2.2,总横弯矩由连接桥上的垂向剪力形成。
其中
Δ
排水量
840.0t
s
航区系数
8.0
Q
1030.05
kN
计算时,将上述垂向剪力平均作用在另一个片体中纵剖面船底强构件的交叉节点(Fr0~Fr80,共21个)上,每个节点的集中力为49.05kN。
3.8.3扭转强度载荷
按照14.6.2.3,双体船上的扭矩为
其中
Ca
水线面修正系数
0.79
b
双体船片体宽度
21.00
m
b1
连接桥宽度
1.50
m
L
船长
40.00
m
Δ
排水量
840.00
t
r
半波高
1.25
m
d
设计吃水
1.30
m
∴
Mt=
17209.17
kN-m
计算时,扭矩采取在片体中纵剖面船底强构件交叉节点上,按反对称方式沿船长方向施加等值的垂向集中力,垂向集中力的大小按和扭矩值等效来确定。
扭矩绕y轴作用,每个节点的等效垂向集中力的大小为86.04586255kN。
4.主要应力结果及强度评估
4.1强度标准
按照《指南》14.6.5,双体船总强度许用应力为表4.1(《指南》的表14.3.6.6)。
表4.1总强度许用应力
双体船总横强度和扭转强度许用应力为表4.2(《指南》的表14.7.6.1)。
表4.2许用应力
4.2结果分组
为了更好地利用表4.1和表4.2的强度标准评估各种构件的强度,对模型中的构件进行了重新分组,见表4.3。
其中没有包含尾楼结构,因为其在各种计算工况下的应力水平都较小。
表4.3提取应力时的重新分组
No
name
构件说明
1
m1_btm
外底板、连接桥底板
2
m1_btmgir
底纵桁
3
m1_deck
甲板、连接桥甲板
4
m1_deckgir
甲板纵桁
5
m1_shell
舷侧外板
6
m1_stringer
舷侧纵桁
7
m2_bhd
横舱壁及其扶强材
8
m2_bracket
横向小肘板
9
m2_deckbeam
甲板强横梁
10
m2_floor
实肋板
11
m2_frame
强肋骨
12
m_all
全部主船体
4.3板单元应力结果
各种计算工况下,本船各种构件上板单元形心中面应力(分量)最大/最小值的结果列于表4.4。
其中为了避开边界条件以及等效集中力对应力计算结果的影响,对横强度(工况4)仅取连接桥以及和之相连(相近)的片体部分的单元结果。
表4.4各种构件在各计算工况下板单元应力(分量)最大/最小值结果(MPa)
m1_btm
1
Se
Sx
Sy
Sz
Tmax
Max
Min
Max
Min
Max
Min
Max
Max
sta
57.52
-57.90
3.85
-17.86
18.30
-8.48
4.74
30.52
hog
129.27
-128.66
5.47
-46.24
29.48
-15.55
12.73
68.69
sag
29.32
-30.36
19.67
-26.46
15.39
-5.43
7.16
16.90
n_MT
61.24
-33.57
33.57
-28.26
28.26
-14.80
14.80
34.70
n_MH
77.67
-20.51
28.11
-8.91
71.01
-11.13
30.39
44.39
Min/Max
129.27
-128.66
33.57
-46.24
71.01
-15.55
30.39
68.69
许用值
192.00
165.00
91.00
%
67%
78%
75%
m1_btmgir
2
Se
Sx
Sy
Sz
Tmax
Max
Min
Max
Min
Max
Min
Max
Max
sta
58.11
-57.52
15.10
-0.40
0.00
-8.72
17.04
30.10
hog
128.13
-121.45
25.54
-0.33
0.00
-14.97
24.99
64.69
sag
84.89
-49.42
21.80
-0.40
0.01
-9.70
12.21
45.95
n_MT
50.21
-44.27
44.27
-0.27
0.27
-25.73
25.73
26.11
n_MH
20.41
-21.29
9.54
-0.48
0.09
-12.92
2.08
10.92
Min/Max
128.13
-121.45
44.27
-0.48
0.27
-25.73
25.73
64.69
许用值
181.00
181.00
91.00
%
71%
67%
71%
m1_deck
3
Se
Sx
Sy
Sz
Tmax
Max
Min
Max
Min
Max
Min
Max
Max
sta
74.76
-5.29
48.13
-17.99
15.54
-0.18
0.06
41.23
hog
111.92
-8.24
107.01
-18.43
40.06
-0.24
0.07
56.61
sag
44.98
-17.26
34.11
-14.54
12.57
-0.08
0.05
24.10
n_MT
61.04
-31.46
31.46
-14.23
14.23
-0.05
0.05
35.18
n_MH
61.49
-15.20
18.12
-60.70
2.36
-0.37
0.03
31.87
Min/Max
111.92
-31.46
107.01
-60.70
40.06
-0.37
0.07
56.61
许用值
192.00
165.00
91.00
%
58%
65%
62%
m1_deckgir
4
Se
Sx
Sy
Sz
Tmax
Max
Min
Max
Min
Max
Min
Max
Max
sta
41.25
-9.43
40.00
-0.08
0.16
-27.52
35.33
21.54
hog
99.74
-10.46
92.26
-0.09
0.17
-35.53
47.23
49.90
sag
36.97
-22.38
18.10
-0.06
0.16
-12.18
13.52
19.84
n_MT
63.67
-29.72
29.72
-0.22
0.22
-56.09
56.09
36.63
n_MH
40.25
-9.39
14.60
-0.05
0.10
-4.93
6.74
23.23
Min/Max
99.74
-29.72
92.26
-0.22
0.22
-56.09
56.09
49.90
许用值
181.00
181.00
91.00
%
55%
51%
55%
m1_shell
5
Se
Sx
Sy
Sz
Tmax
Max
Min
Max
Min
Max
Min
Max
Max
sta
73.54
-30.46
63.99
-6.18
19.26
-15.65
9.20
38.24
hog
113.50
-64.52
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-6.15
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-32.19
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sag
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-16.13
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-5.27
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n_MT
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n_MH
44.01
-14.16
16.59
-5.37
9.24
-41.03
29.8
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- 甲板 运输 结构 强度 0904